化缺點為優點，利用等離激元的吸引損耗開發超小超靈敏器件

光哥按：

尺有所短,寸有所長。萬物都有自己的特性，從一個角度看是缺點，但在另一個角度看可能是難得的優點。其實，人才何嘗不也是如此呢？關鍵是各得其所呀！

幾十年來，等離子體激元——金屬與介質的界面處形成的亞波長光能——吸引工程師們將此技術應用到超小型設備感測器。這些器件利用超緊湊的長度尺寸，通過等離子體效應可以實現場增強和快速操作。但等離子體激元具有致命弱點：等離激元光子 - 電子相互作用所必需的微小金屬結構不可避免地導致光能的吸收和歐姆損失。這使得設計高效實用的器件成為棘手難題。

損失問題

在等離子體裝置中，光波撞擊電子元件表面的金屬納米結構激發 出亞波尺度的電磁波，即表面等離子體偏振（SPP），它沿著金屬電介質傳播。通過限制和引導納米尺度的光能量，等離子體激元器件可以打破衍射極限並局部且充分地增強相對較弱的入射光場。

這些優勢已經在諸如基於檢測表面等離子體共振的生物感測器等領域中得到了小規模應用。但是，在通信和光電子電路等領域中，等離子體激元的廣泛應用經常因能量吸收損耗問題而擱淺。這是因為當SPP傳播穿過金屬表面時，能量不可避免地被金屬吸收並作為熱量釋放。

因此，雖然等離子體激元器件可以在微米尺度上提供實質性的調製效應，但它們也遭受大約dB /μm級的傳播損耗，而硅光子學的傳播損耗為dB / cm級。結果，對於片上技術，將等離子體激元器件投入混合物可能會導致不可接受的「插入損耗」 。

化缺點為優點

據報道，包括來自瑞士蘇黎世聯邦理工學院和華盛頓大學，普渡大學（美國印第安納州）和美國弗吉尼亞聯邦大學的研究人員在內的瑞士 - 美國團隊利用光學調製器解決了這個難題。光學調製器是應用於在電和光子能量之間轉換的片上開關。研究人員通過將等離子體損失作為一種特性來處理，而不是作為一個缺陷。

該調製器由直徑約3微米和數十納米厚的金- 絕緣體 - 金屬槽波導環形諧振器組成，並且填充上有機電光材料，用於在施加的電壓下控制環的諧振狀態偏壓。環形諧振器位於掩埋硅匯流排波導上方約70nm的SiO2襯底上。

其結果是一個巧妙的陷波濾波器（notch filter），它使用環中的等離子體損耗來控制通過下面的硅匯流排波導的光傳輸。當環被調製到其諧振狀態 - 開關的「關閉」狀態時，環中的SPP就產生干涉，導致強烈的等離子體耦合併吸收穿過匯流排波導的光，並且有效地關閉光的傳輸。當環處於非共振狀態 - 開關的「打開」位置時，環中的SPP破壞了干涉;幾乎所有的匯流排波導中的光都逃逸了等離子體耦合併且無阻礙地穿過波導。

超緊湊的電子光子網關

瑞士 - 美國團隊報告說，利用其原理驗證型諧振器進行的實驗證實，低單晶元光損耗，超過100千兆赫的運行，良好的能效，低熱漂移和緊湊的尺寸可以結合到一個器件中。研究人員認為，他們提出的方案（他們指出，這與CMOS兼容）可能在開發用於通信和IT的新興混合晶元中的電子和光子學之間的超緊湊網關以及片上感測器。

這項工作由OSA蘇黎世州ETH研究員Juerg Leuthold，華盛頓大學Larry Dalton以及Purdue的Vladimir Shalaev和Alexandra Boltasseva領導的研究小組進行，並由OSA成員ETH蘇黎世的Christian Haffner和Nathaniel Kinsey共同構思弗吉尼亞聯邦的。

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?本文翻譯編輯：張光

?本文來源：OPN

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